Teledetectia sursa de date pentru cartografierea geografica si topografica

1.1. Generalitati

Teledetectia nu este o tehnologie noua. De mai mult timp omul s-a ridicat deasupra Pamantului, in primul rand pentru a-l observa de la distanta si, apoi, pentru a obtine mai multe informatii despre forma si structura sa, in general despre caracterele suprafetei in toata complexitatea alcatuirii ei. Aplicatiile tehnicilor de teledetectie in domeniul intelegerii si cunoasterii resurselor planetei, sunt acceptate in prezent de comunitatile stiintifice si guvernamentale drept instrument tehnologic perfect adaptat obtinerii de informatii obiective care pot fi utilizate cu mare eficienta in sistemele informationale.

Nasterea teledetectiei satelitare se situeaza in anii '60, odata cu lansarea primelor platforme cu destinatie meteorologica. Dupa 1972 progresul tehnologic a permis plasarea pe orbita a primilor sateliti pentru monitorizarea resurselor naturale, dar numai dupa 1980 se poate spune ca acest domeniu de activitate a devenit operational. Treptat tehnicile de captare a semnalului au permis dezvoltarea unor algoritmi sofisticati de exploatare a informatiilor provenite de la sateliti, a caror utilizare ramane, din nefericire, accesibila numai celor initiati.

In sens larg teledetectia (en.remote sensing, fr.tldtection, ge. Fernerkundung) este ansamblul de mijloace care permit inregistrarea de la distanta a informatiilor asupra suprafetei terestre. O definitie sintetica a teledetectiei a fost formulata de Colwell (1983) : 'achizitia de date despre un obiect sau un grup de obiecte cu ajutorul unui senzor situat la distanta de acestea'. O alta definitie a teledetectiei, de aceasta data mai detaliata, s-ar putea enunta astfel : Teledetectia este o tehnica moderna de investigare care permite detectarea de la distanta a variatiilor de absorbtie, reflexie si de emisie caracteristice undelor electromagnetice si stocarea semnalelor sub forma de fotografii, de inregistrari (care pot constitui imagini), sau de profile spectrale.

Fiecare din definitiile reproduse mai sus a fost enuntata de specialisti apartinand unor domenii de activitate particulare (constructii aerospatiale, fizica). Din punct de vedere al geografului definitia ar putea fi formulata astfel: Ansamblu de cunostinte si tehnici utilizate pentu determinarea caracteristicilor fizice si biologice ale suprafetei terestre prin masuratori efectuate de la distanta fara a intra in contact material cu acestea.

Observarea suprafetei terestre din spatiu faciliteaza cunoasterea obiectelor naturale si antropice care o constituie si imbunatateste intelegerea relatiilor dintre acestea, comparativ cu un studiu in situ. Problematica teledetectiei se rezuma la studiul fenomenelor urmarindu-se analizarea acestora in functie de :

natura, specificitatea si caracteristicile lor ;

durata acestora cu ordin de marime diferentiat de natura fenomenelor derulate (ore, luni, ani, decenii..) sau, generalizand, se pot lua in considerare elemente temporale (trecutul, mai mult sau mai putin cunoscut, prezentul studiat, viitorul prognosticat)

spatiul geografic definit de :

dimensiunile laterale x,y referitoare la un plan sau o suprafata,

dimensiunea verticala (altitudine, inaltime, profunzime, grosime),

relatiile dintre obiecte

Din punct de vedere conceptual Datele provenind de la sistemele de observare a planetei permit, din punct de vedere conceptual, ordonarea spatial-temporala a acestora, evolutia lor fiind tratata diferentiat :

pentru trecut : este posibila arhivarea evolutiei istorice a mediului si constituirea de baze de date referitoare la resurse (pentru realizarea studiului tendintelor),

in prezent : este posibila monitorizarea si analiza schimbarilor survenite (functia de evaluare a starii actuale),

pentru viitor: se simuleaza situatia posibila a mediului si se estimeaza disponibilul de resurse (functia de prevenire si planificare).

Folosirea imaginilor provenite de la satelitii de observare a Pamantului tine cont de caracteristicile proprii fiecarui satelit utilizat, mai precis de cei trei parametrii fundamentali: rezolutia spatiala, rezolutia spectrala si repetitivitatea spatio-temporala. Orice analiza multitematica este realizata, obligatoriu, tinand cont de caracteristicile senzorilor satelitilor de la care provin datele la care analistul are acces. Lista acestor sateliti este diversificata si imposibil de abordat in cadrul unui curs cu durata limitata. Totusi, incercam sa amintim o serie de programe care furnizeaza periodic date interesante si utile pentru cunoasterea si gestionarea spatiului si ale caror sateliti au o importanta recunoscuta pentru teledetectia civila: LANDSAT TM, SPOT, ERS, NOAA-AVHRR, METEOSAT, RADARSAT, IRS, IKONOS, KOMPSAT, FORMOSAT, ALOS, TerraSAR-X, DMC.

1.2. Spectrul electromagnetic

Marimea cea mai des masurata de sistemele de teledetectie actuale este energia electromagnetica emanata sau reflectata de obiectul studiat. Aceasta pentru ca elementele constitutive ale scoartei terestre (rocile, solurile), vegetatia, apa, cat si obiectele care le acopera au proprietatea de a absorbi, reflecta sau de a emite energie. Cantitatea de energie depinde de caracteristicile radiatiei (lungimea de unda si intensitatea acesteia), de proprietatatea de absorbtie a obiectelor si de orientarea acestor obiecte fata de soare sau fata de sursa de radiatie.

Toate obiectele din natura, cu conditia ca temperatura lor sa fie superioara lui zero absolut (0 K -273 C), emit o cantitate specifica de radiatie electromagnetica din care, o parte, poate fi perceputa de instrumente specializate.

O unda electromagnetica este caracterizata prin lungimea de unda (sau frecventa), polarizare si energia sa specifica. Independent de aceste caracteristici, toate undele electromagnetice sunt de natura esential identica.

Particularitatile diferitelor domenii ale spectrului au condus la clasificarea in unde radio, hiperfrecvente, infrarosu, vizibil, ultraviolet, raze X si raze gamma (Fig. 1). In teledetectie se utilizeaza, insa, numai o portiune a spectrului electromagnetic (de la microunde pana la ultraviolet). Fiecare domeniu este observat cu ajutorul unor captori/senzori adecvati in functie de natura obiectelor si fenomenelor supuse cercetarii.

Fig. 1 Spectrul electromagnetic general (sus) si spectrul electromagnetic utilizat in teledetectia tehnologica (jos)

Toate categoriile de obiecte de la suprafata Terrei au proprietatea de absorbi o parte a radiatiei electromagnetice, in functie de aceasta fiind definita semnatura spectrala a obiectului respectiv. Pe baza cunostintelor referitoare la categoriile de radiatii cu lungimi de unda absorbite si reflectate este posibila analizarea si interpretarea imaginilor de teledetectie. Elementele care stau la baza acestor analize sunt urmatoarele :

lungimea de unda;

intensitatea radiatiei incidente;

caracteristicile obiectelor si elementelor (in particular caracteristici de absorbtie) ;

orientarea acestor obiecte si elemente in raport cu pozitia soarelui sau a sursei de iluminare.

O diagrama sugestiva privind domeniile spectrului electromagnetic intalnite in activitatile curente ale omenirii are forma din (Fig. 2)

Fig. 2 Domeniile spectrului electromagnetic

Teledetectia aerospatiala se bazeaza pe inregistrarea radiatiei electromagnetice cu ajutorul senzorilor special conceputi in acest scop, utilizand radiatia luminii, de la ultraviolet la microunde, folosind ca forma de stocare a datelor imagini numerice sau analogice. Acest spectru nu este disponibil in totalitate, atmosfera actionand ca un filtru de absorbtie si de difuzie, ramanand la dispozitie cateva ferestre de transparenta. Acestea sunt zonele spectrale utilizate pentru teledetectie, senzorii instrumentelor de captare a semnalului fiind calate in aceste lungimi de unda (fig.1).

Efectele atmosferei asupra inregistrarilor aeropurtate si spatiale asupra pamantului pot fi grupate in patru categorii principale: difuzie, absorbtie, refractie si turbulenta. Dintre acestea difuzia constituie efectul dominant in marea majoritate a situatiilor. In orice caz, pentru o intelegere corecta a mijloacelor pe care teledetectia le pune la dispozitia operatorilor, trebuie sa fie cunoscute in mod corect efectele interactiunii radiatiei electromagnetice in atmosfera si rolul acesteia, tinandu-se seama de natura fenomenelor si obiectelor urmarite.

In practica, analiza acestui subiect trebuie sa se faca in mod diferentiat, de la simple aprecieri calitative ale filtrului atmosferic pana la modele fizico-matematice complexe, sofisticate: luand in considerare numai veriga respectiva (filtrul atmosferic) sau considerand ansamblul factorilor naturali perturbatori cu conexiunile si interdependentele dintre acestia.

Importanta reala a efectelor factorilor perturbatori asupra procesului de teledetectie depinde de natura senzorilor utilizati si de rezultatele urmarite. Ca atare, au fost evidentiate in acest capitol conceptele de baza ale efectelor atmosferice, ionosferice si ale apei. Fiind greu de abordat intr-o forma comprimata, am considerat necesar ca tehnicile de masurare si instrumentatia adecvata, precum si metodologia sau tehnologia de calibrare a acestor filtre perturbatoare sa fie prezentate in mod sumar in aceasta lucrare.

1.2.1. Corpul negru, Soarele, Pamantul, surse de radiatie

Corpul negru este un iradiator perfect care emite toata energia absorbita. In echilibru termodinamic radiatia emisa de corpul negru este verificata de legea lui Planck:

B(λ,T) = C₁ λ^-5[e ^C2/λT -1]^-1 W m^-2 sterad^-1Hz^-1

in care:

B(λ,T) - reprezinta puterea radioactiva emisa de banda spectrala unitara cu lungime de unda λ pe unitatea de suprafata a corpului negru la temperatura absoluta T K

c₁,c₂ reprezinta constante care se exprima in functie de constanta lui Planck si de constanta lui Boltzmann (c1 = 3,74. 104 W .mm 4 .cm -2, respectiv c2 = 1,438 cm K)

Pentru temperaturi mai mari de 200 K si frecvente mai mari de 100Hz (λ=3 mm) se poate utiliza aproximatia Rayleigh-Jeans:

B (λ,T) = 2KT/λ⁴. W.m^-2. sterad^-1. Hz^-1

Se demonstreaza astfel ca exista o relatie liniara intre intensitatea radiatiei si temperatura absoluta pentru o lungime de unda cunoscuta.

Radiatia solara constituie, incontestabil, sursa de energie cea mai importanta pentru masurare in teledetectie. Radiatia pe care o emite Soarele corespunde aproximativ cu cea a corpului negru (59oo K - 6ooo K), dar numeroase fenomene specifice mediilor strabatute de unda (prezenta apei sub diferite forme de agregare, atmosfera, ionosfera) modifica in detaliu curba radiatiei spectrale. Asa cum se poate observa in (Fig.4), trebuie remarcat faptul ca, la limita superioara a atmosferei, radiatia solara are valori de circa 0,135 W / cm².

Fig. 3 Radiatia solara si interactiunea sa cu atmosfera

Ca si Soarele, Pamantul, cu toate ca are o temperatura mult mai scazuta, constituie un emitator de radiatie electromagnetica, spectrul acesteia fiind situat in infrarosul mediu si departat (Fig.5).

Fig. 4 Spectrele radiatiei solare si terestre

In afara de sursele naturale de radiatie electromagnetica, in practica se folosesc si surse artificiale, create de om denumite surse radiometrice. Acestea au o importanta foarte mare in teledetectie deoarece constituie baza sistemelor active de captori/senzori (emitatoare dar si receptoare de radiatie electromagnetica). Este cazul radar-ului care genereaza radiatia, iar apoi inregistreaza miscarile si modificarile survenite dupa ce radiatia a interactionat cu mediul.

1.2.2. Atmosfera - mediu perturbator

La traversarea atmosferei, radiatia solara este supusa unor perturbatii care depind de lungimea de unda proprie. Aceste perturbatii sunt datorate absorbtiei si emisiei mediului precum si difuziei, difractiei sau refractiei atmosferice (Fig. 5).

Fig. 5 Perturbatii atmosferice

In consecinta, o mica parte a radiatiei solare este penetranta prin atmosfera si aceasta in portiuni bine definite ale spectrului electromagnetic. In literatura de specialitate aceste portiuni sunt intalnite sub numele de "ferestre de transmisie ale atmosferei" (Fig.6).

Fig. 6 Transmisia atmosferica

Dupa cum se poate observa, atmosfera este opaca incepand cu cele mai scurte lungimi de unda corespunzatoare razelor gamma si X pana la circa 0,35 m (ultraviolet foarte apropiat de vizibil). Pornind de la 0,4 m atmosfera prezinta "ferestrele" amintite mai sus, inainte de a deveni opaca intre 14 m ti 1 mm. In fine, transmisia devine penetrabila de la 1 mm. In fine, transmisia devine penetrabila de la 1 mm la 5 cm lungime de unda pentru a ajunge practic perfecta pentru toate lungimile de unda mai mari. Trebuie amintit ca ionosfera introduce limitari suplimentare pe care le vom aminti intr-un paragraf urmator.

Transparenta spectrala a aerului, este, de asemenea, o caracteristica care trebuie cunoscuta in procesul de inregistrare a imaginilor. Coeficientul de transparenta variaza dupa sezon si in functie de diferitele lungimi de unda. Vara, coeficientul de transparenta scade semnificativ in vizibil, pentru infrarosu variatiile fiind mult mai mici. Totusi, poate sa apara o marire a luminozitatii generale datorita difuzei luminii in atmosfera. Valoarea valului atmosferic depinde de grosimea optica a atmosferei, de distanta zenitala a soarelui si de directia de vizare, de capacitatea de reflexie a peisajului aerian, precum si de forma sub care se petrece difuzia a atmosferei.

Principalele mijloace pentru inlaturarea sau slabirea efectului voalului atmosferic asupra inregistrarii, sunt dispozitivele optice suplimentare atasate captorului, numite filtre, fixate in fata obiectivului camerei, dar si a benzilor spectrale judicios alese.. Principala sarcina a filtrelor colorate este de a absorbi razele de lumina, reflectate si difuzate de catre atmosfera. Datorita faptului ca radiatiile electromagnetice corespunzatoare domeniului albastru, violet si, in parte, ultraviolet, nu iau parte la formarea imaginii datorita reflexiei si difuzarii lor de catre atmosfera este necesara utilizarea filtrelor optice compensatoare colorate sau a peliculelor adecvate .

Intre dispozitivul captor si Pamant se afla, intotdeauna, o patura groasa de aer care nu este niciodata complet transparenta. Aceasta este alterata intr-un anumit grad de prezenta anumitor particule, fie solide fie produse prin condensarea vaporilor de apa, care provoaca difuzarea luminii in atmosfera conditionand claritatea aerului. Mediul acesta tulbure imprima si obiectului de fotografiat aceeasi caracteristica, adica reduce contrastul detaliilor obiectului de fotografiat. Acest mediu alterat poarta numele de val atmosferic si se datoreaza prezentei in atmosfera a diferitelor particule straine. Corpurile straine din atmosfera provoaca difuzarea razelor de lumina in mediul inconjurator.

Difuzia luminii in atmosfera are doua surse principale :

cand aerul are relativ putine impuritati si lumina solara este difuzate in special de catre moleculele de gaze, predominand radiatia albastra ;

cand aerul contine multe impuritati (praf, fum, s.a.), iar razele corespunzatoare diferitelor zone ale spectrului sunt reflectate si difuzate disproportionat.

1.2.2.1. Absorbtia atmosferica

Absorbtia este datorata tranzitiilor electronice ale atomilor si moleculelor, cat si tranzitiilor de rotatie sau vibratiilor moleculare poliatomice.

Principalele gaze absorbante din atmosfera sunt oxigenul molecular (O₂), oxigenul atomic (O), ozonul (O₃) - in straturile superioare ale atmosferei -, vaporii de apa si picaturile (H₂O), bioxidul de carbon (CO₂), azotul molecular (N₂), oxidul de carbon (NO), metanul (CH₄), oxidul de azot (N) cat si omologii izotopici ai acestora (Fig. 5).

Spectrele de absorbtie datorate tranzitiilor electronice se situeaza in principal in ultraviolet, iar cele datorate rotatiilor si vibratiilor moleculare se plaseaza in infrarosu. Spre deosebire de acestea, domeniul vizibil este afectat in mica masura de absorbtie. Trebuie remarcat faptul ca toate aceste spectre de absorbtie sunt spectre de banda cu o structura fina foarte complexa.

Absorbtia radiatiei electromagnetice monocromatice de intensitate I_o urmeaza legea:

I= I_o e^-kx

in care:

x este lungimea traseului absorbant

k este un coeficient de absorbtie

Coeficientii de absorbtie corespunzatori lungimilor de unda ale tranzitiilor electronice sunt foarte mari deci, se demonstreaza ca in atmosfera foarte inalta radiatia solara este absorbita intens. In consecinta, energia absorbita se consuma prin contributia pe care o aduce la disocierea ozonului, azotului molecular, azotului, oxigenului molecular in azot si oxigen atomic (N si O) care absorb inca energie dar in alte lungimi de unda.

In ultraviolet absorbtia electronica foarte ridicata a oxigenului si azotului molecular, dublata de absorbtia oxigenului si azotului atomic sau ozonului (pentru atmosfera foarte inalta) au drept consecinta imediata in opacitatea pentru lungimile de unda inferioare valorii de 0,3m. Se mai poate reaminti faptul ca, din punct de vedere cantitativ, ozonul variaza in cantitate cu anotimpul (maxim primavara) cat si cu latitudinea.

In vizibil se constata o slaba absorbtie datorata ozonului la 0,6m si oxigenului molecular la 0,69 si 0,76m

Benzile de absorbtie in infrarosu sunt provocate de tranzitiile de rotatie si de vibratiile moleculare poliatomice. Se remarca in acest domeniu spectral importanta absorbtiei vaporilor de apa ale caror benzi principale sunt situate la: 0,7; 0,8; 0,9; 1,1; 1,4; 1,9; 2,7; 3,2 si 6,3m. Pentru bioxidul de carbon benzile principale de absorbtie sunt situate la 1,6; 2;7;si 4,3m

Incepand de la 14m pana la circa 1 mm lungime de unda, propagarea este impiedicata in totalitate de vaporii de apa in corelatie cu o banda de absorbtie foarte puternica a bioxidului de carbon situata la 15m

In domeniul hiperfrecventelor atenuarea introdusa de gazele atmosferice este constanta si este cauzata in principal de absorbtia moleculara a vaporilor de apa si oxigenului. In acest caz actioneaza doua mecanisme:

absorbtia de rotatie moleculara (vaporii de apa la 1,63 mm si la 13,5 mm iar ozonul la 27 mm);

absorbtia spectrala paramagnetica (oxigenul molecular la 2,5 si la 5 mm).

In compozitie pura, atmosfera nu are influente negative in propagarea lungimilor de unda mai mari de 2 cm. Totusi, perturbatiile meteorologice duc la modificari in structura fizica a atmosferei si deci radiatiile cu lungimi de unda mai mari de 2 cm vor avea un comportament mai greu de urmarit.

1.2.2.2. Difractia atmosferica

Constitutia granulara a atmosferei (incepand cu moleculele de gaz de baza pana la picaturile de apa si praful din atmosfera) provoaca difractia radiatiilor electromagnetice. Difractia poate fi studiata comparand marimea relativa a particulelor cu lungimea de unda a radiatiei. in practica se iau in considerare trei cazuri considerate importante:

cazul dimensiunilor neglijabile ale particulelor fata de lungimea de unda,

cazul dimensiunilor comparabile ale particulelor si lungimii de unda,

cazul dimensiunilor mari ale particulelor fata de lungimea de unda.

Pentru lungimile de unda corespunzatoare vizibilului, al doilea caz este intalnit in prezenta vaporilor de apa si aerosolilor, in timp ce al treilea caz se datoreaza particulelor de praf, picaturilor de apa si cristalelor de gheata.

In primul caz procesul de difractie este cunoscut sub numele de "difractie Rayleigh". Teoria generala a acestui fenomen arata ca difractia este proportionala cu l ; Fenomenul explica culoarea albastra a cerului si arata ca unghiul sub care sunt difractate razele are o distributie specifica.

Atunci cand ne aflam in de-al doilea caz, procesul de difractie este cunoscut sub denumirea de "difractia lui Mie". Daca diametrul particulelor este mult mai mare decat lungimea de unda, difractia devine independenta de lungimea de unda. Astfel se explica culoarea cenusie a norilor).

In domeniul vizibil (l<15m) singurele particule care pot provoca difractie sunt vaporii de apa. Posibilitatile de penetratie ale infrarosului in cazul perturbatiilor meteorologice sunt destul de scazute neputand fi ameliorate decat in mica masura.

Hiperfrecventele (de la 1mm la 3o cm) sunt perturbate limitat de picaturile de ploaie in cazul lungimilor de unda foarte scurte. De aceea tehnicile radar sunt considerate, practic, independente de starea vremii.

1.2.2.3. Emisia atmosferica

Conform legii lui Kirchoff, un material sau un gaz care absoarbe puternic o lungime de unda prezinta, in acelasi timp si o puternica emisivitate.

Atmosfera terestra prezinta o emisivitate superioara in cazul lungimilor de unda corespunzatoare benzilor de absorbtie. In acelasi timp, atmosfera, are comportamentul corpului negru la temperaturi intre 2oo si 3oo K.

Pe masura ce traiectoria undei se apropie de orizont, emisivitatea corespunzatoare ferestrelor de transmisie tinde catre unitate.

1.2.2.4. Refractia

Mediul gazos constitutiv al atmosferei este afectat de refractie in functie de presiunea si temperatura mediului (adica si de altitudine). Radiatiile nu se propaga dupa verticala locului si nu sunt rectilinii. De aceea, marimea unghiului dintre pozitia aparenta observata de la sol si pozitia reala depinde de unghiul de elevatie aparent, de altitudinea punctului si de starea higrometrica a atmosferei (Fig. 8).

Fig. 7 Traiectoria razei la traversarea atmosferei si ionosferei

1.2.2.5. Turbulenta atmosferei

O consecinta importanta a turbulentei atmosferice este variatia indicelui de refractie. Ponderea acestei perturbatii depinde, evident, in acest caz , de gradul de turbulenta mai ridicat in apropierea mediului marin si a reliefului variat decat in regiunile desertice.

Amplitudinea instabilitatii radiatiilor depinde, de asemenea, de distanta la care se gaseste zona de turbulenta fata de punctul in care se efectueaza inregistrarea.

1.2.3. Ionosfera, mediu perturbator

De la 80 la 1000 km altitudine se intinde o zona ionizata de foarte puternica densitate electronica. Mai sus de 1000 km, densitatea este foarte putin cunoscuta si variaza de la 10⁴ la 1o² electroni pe cm³ in regiunea limitata la 36ooo Km.

Ionizarea atmosferei superioare este provocata radiatia solara foarte puternica. In consecinta, densitatea electronica este, mai mare, pe de-o parte ziua fata de noapte, iar pe de alta parte in perioada de activitate solara mai intensa.

De fapt, un semnal electromagnetic care se propaga in ionosfera, sufera o mare varietate de perturbatii datorate anizotropiei si turbulentei mediului:

• refractie,
• incetinire de unda,
• perturbatii ale efectului Doppler,
• scintilatii (sau variatii aleatoare) asupra efectelor de mai sus,
• rotatia planului de polarizare al undei,
• atenuarea (slabirea) undei,
• dispersia semnalului

1.2.3.1. Refractia generata de ionosfera

Cand o unda electromagnetica se propaga in ionosfera, aceasta sufera refractii pe toata lungimea traseului sau. Fenomenul este cauza unei erori in masurarea (stabilirea) pozitiei unghiulare (vehiculul spatial purtator de captori/senzori "vazuti" de la sol sau solul observat din spatiu)

Pe tot traseul undei, refractia provocata de diferitele straturi ale atmosferei sufera modificari ale traiectoriei dupa legile cunoscute din fizica. Este de semnalat ca refractia provocata de paturile inferioare ale atmosferei este de sens opus fata de refractia provocata de ionosfera.

Eroarea de punctare cauzata de ionosfera este invers proportionala cu patratul frecventei pentru lungimi de unda mai mici de 3 m.

1.2.3.2. Incetinirea de unda

Viteza de propagare a undei in atmosfera este cu foarte putin inferioara vitezei luminii. Deoarece deducem distanta pe care o parcurge unda electromagnetica cu ajutorul timpului, presupunand viteza sa egala cu viteza luminii , vom face o eroare Dr in evaluarea acestei distante. Aceasta eroare este invers proportionala cu patratul frecventei. Este introdusa, de asemenea, o eroare in determinarea distantei datorata curburii razei care, insa, este neglijabila fata de precedenta.

1.2.2.3. Eroarea efectului Doppler

Un semnal radioelectric emis de un vehicul in miscare si primit de o statie fixa sufera o scadere de frecventa datorata efectului Doppler. Acest fenomen este cauzat de miscarea relativa dintre sursa si receptor.

Pentru o unda care se propaga in ionosfera, aceasta scadere de frecventa este insotita de o eroare datorata refractiei mediului.

1.2.2.2.4. Rotatia planului de polarizare

Daca o unda electromagnetica polarizata liniar patrunde intr-un mediu ionizat in prezenta unui camp magnetic, deoarece, aceasta se produce in ionosfera si in prezenta campului magnetic terestru, aceasta se separa in doua componente independente (fenomenul de birefringenta). Pentru lungimi de unda mai mici de 3 m aceste doua componente sunt polarizate opus.

Cele doua unde rezultate se propaga cu viteze diferite, astfel ca, la iesirea din straturile ionizate, cele doua componente polarizate circular se recombina pentru a forma o unda liniara al carui plan de polarizare a fost rotit in raport cu planul de polarizare al undei incidente. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect Faraday. Unghiul de rotatie al planului de polarizare este invers proportional cu patratul frecventei undei.

1.2.2.5. Atenuarea undei

Atenuarea semnalului electromagnetic care traverseaza ionosfera este total neglijabila pentru toate lungimile de unda mai mici de 1 m. In consecinta, pentru o lungime de unda de 1 m si o elevatie dubla, semnalul este atenuat doar cu 2,5%, dar, pentru lungimile de unda din ce in ce mai mari, ionosfera devine progresiv opaca.

1.2.2.6. Scintilatiile

Scintilatiile sunt iregularitati in distributia densitatii electronice care cauzeaza fluctuatii in amplitudine, frecventa, distanta fata de sursa si in faza.

Toate aceste iregularitati sunt proportionale cu patratul lungimii de unda, iar faza este proportionala cu lungimea de unda. Toate aceste scintilatii sunt neglijabile pentru lungimi de unda mai mici de o,6 m.

1.2.4. Comportamentul obiectelor in interactiune cu radiatia electromagnetica

Pentru o radiatie oarecare care intra in contact cu un obiect oarecare se poate scrie legea care urmeaza:

R_l +T_l + A_l

in care:

R_l=reflexia totala pentru o lungime de unda data

T_l transmisia totala pentru. o lungime de unda cunoscuta

A_l=absorbtia totala pentru o lungime de unda data

Unda reflectata (cea care corespunde termenului R_l al egalitatii), poate fi inregistrata de un captor (deci este purtatoarea informatiei in teledetectie).

Pe de alta parte, toate obiectele emit energie in diferite lungimi de unda. Aceasta energie, la randul sau, poate fi captata si analizata. In consecinta, in toate domeniile spectrale considerate, energia inregistrata provine, in principal din reflectiile radiatiei incidente sau din emisia undelor electromagnetice de catre obiectul considerat.

Pentru a intelege mai usor procesul vom defini reflectanta totala a unui obiect pentru o lungime de unda data R_l ca raport intre energia totala reflectata de unitatea de suprafata si energia incidenta pe aceasta suprafata. De fapt, senzatiile de culoare rezulta din diferite valori ale reflectantei in vizibil.

In practica, reflectanta totala speculara sau difuzata se masoara cu aparate specializate denumite radiometre.

Ca rezultat al masuratorilor se vor trasa curbe ce indica reflectanta totala, speculara sau difuzata, dupa caz, in functie de lungimea de unda difuzata. Datorita naturii lor specifice , obiectele din natura vor avea curbe de reflectanta diferite.

In laborator se masoara, in general; reflectanta totala, pe cand in teren masuram reflectanta difuzata.

1.2.5. Limitari in teledetectie

Dupa cateva decenii de evolutie spectaculoasa, teledetectia pare, inca a fi o tehnica extrem de generala, dezvoltarea sa, precum si principalele sale aplicatii plasand-o langa celelalte stiinte si tehnici aplicative de avangarda aparute in secolul trecut. Trebuie insa pastrate precautiile necesare, deoarece exista limitari fizice dar si restrictii de aplicare (acestea din urma din ce in ce mai mici) ale acestei tehnologii.

Limitarile fizice sunt legate esential de fenomenele fizice susceptibile de transferul informatiei de la obiect la captor. Putem, in consecinta, sa consideram:

radiatiile electromagnetice

campurile de forta electrice, magnetice si campul gravitational.

vibratiile acustice

vibratiile mecanice

particule perturbatoare

Dintre toate aplicatiile teledetectiei mai cunoscute sunt cele care se refera la studiul Resurselor Naturale ale Pamantului. Trebuie insa mentionat ca teledetectia are aplicabilitate si in multe alte domenii ale cercetarii, un loc important fiind ocupat de studiul poluarii si al poluantilor.

Cu unele mici exceptii, teledetectia cuprinde studiul comportamentului suprafetei terestre in interactiune cu radiatiile electromagnetice, studiul mijloacelor tehnice care permit receptionarea acestor radiatii si in fine, dar nu in ultimul caz, studiul metodelor de analiza a datelor receptionate, inainte de a fi extrase informatiile care constituie , de fapt, produsul final ti scopul declarat.

Instrumentele optice furnizeaza imagini similare unei observari directe din spatiu. Rezolutia ridicata a acestor instrumente si utilizarea benzilor multispectrale permit achizitionarea imaginilor foarte bogate in informatii care pot fi interpretate in vederea detaliilor specifice ale suprafetei Terrei. Instrumentele radar pot functiona atat ziua cat si noaptea indiferent de acoperirea cu nori. Observarea in domeniul optic si al hiperfrecventelor este un mijloc complementar de investigare care poate fi adaptat necesitatilor fiecarei aplicatii in parte. Datele radar, combinate cu imagini optice de arhiva, constituie o alternativa viabila in cazuri de urgenta generate de calamitati naturale.

In ultimii ani o noua tehnologie pare sa castige teren datorita costurilor mai reduse si a adaptabilitatii pentru aplicatii particulare. Este vorba de sistemele de sateliti de talie mica care ofera oportunitati pentru expansiunea mai rapida a cunostintelor tehnice in domenii tematice mult mai variate. Poate fi amintita aici seria de sateliti DMC (Disaster Monitoring Constelation) produsi in Marea Britanie la Surrey.

1.3. Ramuri ale teledectiei cu utilizare tematica (sectorul geospatial)

Daca pana la inceputul anilor '70 teledetectia tehnologica civila era limitata la utilizarea fotografiei aeriene alb-negru si color (in domeniul vizibil si, foarte rar, in domeniul infrarosu, astazi nu se mai poate vorbi despre acest domeniu fara a integra informatia obtinuta prin mijloace specifice observarii Pamantului cu alte ramuri ale masuratorilor terestre si ale geografiei tematice. De aceea, la nivel global, aceste tehnici de lucru sunt unanim acceptate ca facand parte din sistemul din sistemul din ce in ce mai complex cunoscut sub abrevierea EO (en. Earth Observation), sitem care include atat tehnicile specifice teledetectiei, cat si cele ale pozitionarii globale.

Odata cu lansarea primilor sateliti tehnologici progresul in acest domeniu a fost foarte rapid, in special datorita dezvoltarii electronicii si inlocuirii captorilor fotochimici (reactivii peliculelor) cu captorii electronici detectori de lumina, termografici sau radar.

In sens strict, teledetectia utilizeaza radiatiile electromagnetice din intervalul cuprins intre ultraviolet si microunde. Senzorii specifici capteaza variatiile de absorbtie-emisie - reflexie ale suprafetei, sau chiar a stratului superficial. Datele sunt stocate pe un suport magnetic (sub forma de fisiere-imagine), in formate care permit vizualizarea pe monitoare, tiparirea lor, sau impresionarea pe materiale fotosensibile speciale (active in special in infrarosu) care permit restitutia prin procedee fotografice clasice.

Radiatiile electromagnetice sunt utilizate si in geofizica dar, datorita faptului ca tehnicile de inregistrare, care utilizeaza zone ale spectrului cu lungimi de unda inferioare ultravioletului (raze X, raze Gamma) sau mai mari decat microundele si capteaza un semnal care are o origine mult mai profunda (la adancime), nefiind permisa decat o restitutie pe profil, se considera ca nu fac parte din metodele de teledetectie.

Este acceptat faptul ca teledetectia tehnologica se refera la aplicatiile pentru care metoda de procesare a datelor depinde de natura speciala a vectorilor purtatori (avion, satelit) utilati cu captori si detectori asociati unor portiuni ale spectrului electromagnetic, chiar daca exista si replici utilizand acelasi tip de echipament de inregistrare a datelor.

De asemenea, se considera ca in domeniul aplicativ se folosesc patru tehnici uzuale de teledetectie :

• trei cu inregistrare pasiva (fotografia aeriana sau cosmica, cunoscuta si sub numele de fotogrammetrie, teledetectia multispectrala in domeniul vizibil si infrarosu si
• una cu inregistrare activa, (radar-ul).

O alta tehnica considerata a fi o parte a teledetectiei este videografia care este folosita mai ales pentru cartarea tematica de urgenta in zonele greu accesibile, dar precizia cu care sunt obtinute datele ii confera acesteia un caracter informativ

Multa vreme s-a considerat ca exista doua ramuri ale teledetectiei, din care una, de orientare figurativa, utilizeaza metode de analiza calitativa care permit, cu foarte mare dificultate, generarea de imagini, cunoscuta si sub denumirea de teledetectie analogica, iar cea de-a doua, care se refera la aspectul numeric, aparuta si dezvoltata odata cu computerele, tratand informatia abstract, ca o colectie de masuratori care subliniaza caracterul inerent cantitativ al datelor. In cazul al doilea imaginea nu este inteleasa ca informatie ci ca un mecanism simplu pentru vizualizarea informatiei.

Tehnologia laturii figurative este mult mai veche si, considera unii, mai dezvoltata din punct de vedere conceptual, senzorii utilizati (camerele fotografice) fiind la indemana oricui, un aspect foarte important in evaluarea capabilitatilor fiind marea experienta acumulata in tehnicile de analiza asociate, specifice interpretarii fotografiilor ortocromatice, pancromatice, spectrozonale in vizibil sau infrarosu, dar si in ultraviolet .

1.3.1. Fotografia aeriana

Fotografia aeriana este la originea teledetectiei, iar utilizarea sa ramane in continuare o certitudine (privind fie si numai din punct de vedere al rezolutiei geometrice) chiar daca inregistrarile din satelit permit acoperirea unor zone mult mai vaste, au o repetitivitate superioara, iar procesarea datelor este mult simplificata, mai ales datorita progreselor informaticii care au dus la elaborare de algoritmi performanti de automatizare a multora dintre procesele de pregatire si interpretare a datelor.

Fotografia constituie o buna baza de studiu si de analiza care permite vizualizarea :

detaliilor semnificative si a pozitiei lor relative,

a structurilor din punct de vedere al degradarii sau evolutiei lor,

in vederea confruntarii cu alte documente necesare unei aprecieri exacte a fenomenelor.

Atunci cand lantul tehnologic de achizitie, prelucrare si exploatare a documentelor fotografice respecta anumite criterii de control al geometriei imaginii ne gasim in domeniul fotogrammetriei (fotografiei metrice). Cuvantul "fotogrammetrie" se datoreaza arhitectului german Meydenbauer care a asamblat cuvintele grecesti "photos"(lumina), "gramma"(un lucru scris sau desenat), si "metron" (masura) pentru a desemna un nou mijloc de reprezentare tridimensionala a naturii. De fapt, acesta a preluat si adaptat, in 1893, ceea ce fusese experimentat si aplicat intre 1850 si 1861 de francezul Lausedat. El a fost cel care a utilizat camera clara pentru a realiza relevee topografice printr-un procedeu pe care la denumit "metrofotografie". Astfel, notiunea de masura a fost asociata cu fotografia, de atunci fiind acceptata definitiv. Anterior acestui moment, in 1726, M.A. Kappeler folosise imaginile perspective desenate ale terenului in scopuri topografice pentru a intocmi harta masivului muntos Pilatus, iar in 1759 matematicianul S.H. Lambert a tratat bazele reconstituirii perspectivei centrale si a intersectiei spatiale in lucrarea 'Perspectiva libera'.

In plan calitativ imaginea fotografica poate fi interpretata cu scopul evidentierii diverselor caracteristici ale mediului de catre specialisti din diverse ramuri ale stiintelor naturii. In plan cantitativ, fotografia aeriana si tehnicile fotogrammetrice multispectrale in vizibil si infrarosu permit masurarea formelor si dimensiunilor terenului cu ajutorul unor instrumente clasice, in vederea elaborarii hartilor si planurilor.

Practic, clasarea si arhivarea fotografiilor a devenit o etapa esentiala a studiului geografic. De aceea este necesar ca principiile tehnice de baza si modul de exploatare a documentelor fotografice si fotogrammetrice trebuie sa fie intelese pentru ca acestea sa poata fi valorificate eficient.

Fotogrammetria este tehnologia cu ajutorul careia se realizeaza masuratori extrem de precise pe fotograme aeriene sau terestre preluate cu camere speciale pentru determinarea cotelor, suprafetelor, distantelor sau volumelor, in vederea realizarii de harti topografice si tematice sau produse fotogrammetrice specifice (fotograme redresate, fotograme redresate cu retea, fotoplanuri, fotoscheme, fotomozaicuri).

O alta definitie, apartinand lui H.Boneval, sintetizeaza sugestiv legatura dintre realitatea din natura si modul cum poate fi reconstituita prin mijloace mecano-optice: Fotogrammetria este o tehnica de lucru care permite definirea precisa a formelor, dimensiunilor si pozitiei spatiale a unui obiect, utilizand masuratori facute pe una sau pe mai multe fotografii ale aceluiasi obiect.

Nu trebuie omisa definitia data in 1980 de Societatea Americana de Fotogrammetrie si Teledetectie "Fotogrammetria este arta, stiinta si tehnologia de obtinere de informatii fiabile asupra spatiului natural sau asupra obiectelor fizice prin inregistrarea, masurarea si interpretarea imaginilor fotografice sau a trasaturilor produse prin radiatia energiei electromagnetice sau prin alte fenomene." Aceasta definitie face referire si la teledetectie ca parte componenta a fotogrammetriei, eliminand doar o parte din confuziile si incertitudinile generate de formularea mai veche "stiinta si arta obtinerii de masuratori fiabile prin mijloace fotografice".

Sintetizand, se poate spune ca aceasta disciplina tehnico-stiintifica are ca subiect determinarea pozitiei obiectelor sau fenomenelor in spatiu si in timp pe baza masuratorilor care se realizeaza in perspectivele fotografice ale obiecte sau fenomenelor studiate.

Fig. 8 Fotograma

Pe langa faptul ca fotogrammetria este recunoscuta ca fiind o tehnica de lucru obiectiva, precisa si pasiva (nedestructiva), asigurand obtinerea mult mai rapida a informatiilor fara contact direct cu subiectul observarii fotografice, trebuie subliniat faptul ca aceasta disciplina este, totusi, greoaie, scumpa si complexa, fiind rezervata in mare masura numai specialistilor. Acest ultim aspect este partial compensat de aparitia tehnologiilor de inregistrare si prelucrare numerica, acestea compensand lipsa cunoasterii unei parti a lantului tehnologic specific fotogrammetriei clasice.

Fotogrammetria clasica permite culegerea si prelucrarea de date necesare activitatilor de cercetare, studiu si proiectare pe baza unor cunostinte din domeniile geometriei, matematicii si fizicii pentru a interpreta imaginea virtuala tridimensionala a unei perechi de fotograme cu scopul reconstruirii unui model care sa corespunda cat mai fidel peisajului initial. In ultimul deceniu, corelat cu evolutia spectaculoasa a informaticii, pe langa geometrie, matematica, fizica radiatiilor electromagnetice si optica, se poate spune ca un rol la fel de important il detine electronica. Aceasta din urma sta la baza utilizarii imagini video si a altor mijloace pentru reconstituirea realitatii tridimensionale.

S-a dovedit faptul ca perfectionarea metodelor de obtinere si exploatare a fotogramelor este corelata cu diversitatea problemelor pe care pot fi rezolvate in domeniile cele mai diferite, atunci cand apare necesitatea efectuarii de masuratori de precizie. In abordarea problemelor de fotogrammetrie suntem confruntati cu procesul vederii stereoscopice si cu tehnica masurarilor stereoscopice.

Chiar daca progresul informaticii este exponential, folosirea tehnicilor figurative se dovedeste a fi, inca, foarte sigura si, in multe cazuri, economica pentru o mare varietate de aplicatii operationale, dezvoltarea acestei tehnologii nefiind, in nici un fel, stopata, in special pentru ca echipamentele specifice analizei numerice sunt costisitoare, atat din punct de vedere fizic, dar si in exploatarea specializata.

Posibilitatea achizitionarii de imagini fotografice digitale cu ajutorul camerelor specializate a inaugurat o noua etapa in dezvoltarea fotogrammetriei. Imaginile in format raster sunt procesate cu ajutorul unor programe specializate, inca destul de costisitoare. Fazele obligatorii care trebuie parcurse, in conditiile stabilirii prealabile prin aerotriangulatie (calculul orientarii interioare si exterioare), a geometriei camerei sau a senzorului relativ la obiectele de pe suprafata Pamantului, constau in generarea cuplului stereoscopic si exploatarea acestuia in functie de scopul propus (elaborarea de ortofotoplanuri sau a modelului digital al terenului). Aceasta metoda de lucru a preluat o mare parte din principiile fotogrammetriei analitice, adaptandu-le procesarii digitale.

Tehnicile LIDAR, inca destul de costisitoare, au o importanta din ce in ce mai mare pentru obtinerea de date care descriu prin prelucrari complexe (cu ajutorul unor sisteme de calcul sofisticate) suprafata terestra, de fapt ceea ce numim "acoperirea terenului".

Fig. 9 Vizualizarea unui fragment aferent unei zone portuare dintr-o reprezentare LIDAR

Un caz particular al exploatarii fotogrammetrice digitale il reprezinta perechile de imagini SPOT preluate de pe orbite succesive ale satelitului, ceea ce implica stabilirea unui pseudocentru de perspectiva pentru fiecare linie de baleiere in parte, spre deosebire de fotografiile aeriene clasice transformate in format raster prin scanare si care se supun regulilor perspectivarii clasice.

Ca produse uzuale ale proceselor specifice fotogrammetriei digitale ortoimaginile (ca sursa primara pentru cartografia digitala) si ortohartile (similare cu hartile standard) pot constitui elemente de referinta pentru constituirea bazelor de date geo-topografice utilizabile in Sistemele Informationale Geografice.

1.3.2. Teledetectia multispectrala in vizibil si infrarosu

Prin comparatie, tehnologia sistemelor orientate numeric, foloseste instrumente electronice apte sa preleveze date referitoare la zone mult mai largi, utilizand si ferestre invizibile ale spectrului electromagnetic. Trebuie remarcat faptul ca aceste sisteme permit si analiza datelor de factura figurativa (analogica), existand multe tehnici de interpretare care sunt aplicabile in ambele tehnologii.

Datorita perspectivei largi, facilitata de altitudinea la care evolueaza satelitul purtator de captori si senzori, a numarului de benzi spectrale dedicate si a vitezei de deplasare sunt obtinute mari cantitati de informatii. Se considera ca datele de teledetectie sunt cu adevarat valorificate numai daca utilizarea lor satisface simultan conditiile de rapiditate si de cost rezonabil. Din pacate, aceasta nu depinde numai de sistemul satelitar, ci si de posibilitatile de prelucrare a volumului imens de date in vederea extragerii informatiilor tematice relevante prin mijloace tehnologice inca destul de scumpe, care, din nefericire, necesita si o instruire destul de pretentioasa a personalului.

Sistemele de baleiere multispectrala permit folosirea unor metode foarte eficiente de obtinere a datelor spectrale intr-o scara larga de lungimi de unda si stocarea lor de maniera cantitativa. Tehnicile de analiza computerizate fiind, insa, singurul mijloc de valorizare a acestor date, elementul esential in teledetectie este corelarea posibilitatilor de achizitie a datelor cu modul de recunoastere si de procesare numerica a datelor cu scopul transformarii lor in informatii utile, adica trecerea de la cantitativ la calitativ.

Instrumentele clasice de tipul scannerelor multispectrale utilizate pana in prezent in teledetectie, ne-au obisnuit cu utilizarea unor benzi spectrale limitate ca numar (ultimul satelit din seria SPOT are 5 benzi spectrale iar Landsat 5 are 7) si destul de largi, in general circa. 100 mm (fig.8).

Fig. 10 Reflectanta specifica apa, soluri, vegetatie; Benzile spectrale Landsat TM, SPOT si NOAA/AVHRR

O noua generatie de instrumente de observare este deja operationala; este vorba despre asa numitele sisteme hiperbanda (hiperspectrale). Acesti captori, utilizati in prezent si in varianta aeropurtata, au capacitatea de a observa Pamantul cu ajutorul unui mare numar de benzi spectrale, intre 100 si 200 pentru un instrument, cu largimi de banda foarte mici, cu ordin de marime de cca. 1 mm. Rezolutia spectrala ridicata, de ordinul nanometrilor, permite asocierea unui spectru aproape continuu fiecarui obiect sau fenomen, facilitand accesul la informatii din ce in ce mai detaliate.

1.3.4. Teledetectia in microunde

Desi instrumentarul radar a fost folosit cu mult inaintea senzorilor multispectrali se poate spune si acum, cand pe orbite este plasata o serie importanta de sateliti radar (ERS, JERS, RADARSAT, ENVISAT, ALOS), aplicatiile nu au, totusi, un caracter operational fiind considerate a fi, inca, in faza de cercetare.

Instrumentele satelitilor de cercetare radar sunt de tip activ avand avantajul independentei inregistrarilor fata de starea atmosferica. Initial, sistemele active cu microunde au fost proiectate pentru a observa zonele acoperite cu gheata sau zapada si oceanele, zone in care acoperirea sistematica cu nori impiedica inregistrarea de date optice si multispectrale. Experimentele care au urmat lansarii platformelor spatiale radar au dus, in urma programelor de cercetare, la rezultate surprinzatoare. Imaginile multispectrale pot fi utilizate complementar cu imaginile din domeniul microundelor.

Produse radar utile, spectaculoase, dar si foarte precise, pot fi utilizate pe scara larga in cartografierea topografica si geografica. Procesul interferometric, posibil datorita satelitilor europeni ERS 1 si ERS 2, poate fi folosit la producerea modelului digital al terenului cu o precizie de 3-5 metri. Datorita preciziei orbitei satelitului si a calitatii ridicate a datelor este posibila achizitionarea de informatii coerente din punct de vedere al geometriei si pozitiei absolute pentru complexe provenite de la doua sau mai multe pasaje pe aceeasi orbita. Pe langa aplicatiile MNT, rezultate promitatoare au fost obtinute in domeniul studiului efectelor cutremurelor si alunecarilor de teren de mare intindere, dar pot furniza si informatii valoroase asupra structurii geologice si a compozitiei chimice terestre. In relatie cu senzorii optici pot fi realizate aplicatii foarte utile care nu depind de starea atmosferica, nici de prezenta radiatiei solare, deci este posibila si utilizarea intervalului nocturn pentru inregistrare.

Se poate spune ca, dupa 1989, utilizand tehnicile radar, a fost introdusa o noua generatie de sateliti tehnologici care functioneaza pe baza emiterii directionale a unui semnal de microunde si, apoi, receptionarea radiatiei reflectate de tinta terestra. Din pacate, datorita consumului mare de energie necesara functionarii sistemului de emisie-receptie, satelitii radar nu pot fi activi decat in mod secvential, in cadrul unor misiuni precis parametrizate, unii dintre acestia avand o activitate limitata la aproximativ 10 minute pe ora.

1.4. Lantul de achizitie, transmisie si preprocesare a datelor de teledetectie. Sistemele satelitare si instrumentele lor (captori, senzori)

Demonstratia teoretica a posibilitatilor de a construi un vehicul ceresc care sa se invarteasca in jurul Pamantului se regaseste in opera lui Isaac Newton 'Principiile matematice ale filozofiei naturale', publicata in 1687, idee considerata pana la inceputul secolului nostru a fi fantezista. Pe orbita se gasesc, astazi, platforme artificiale, dintre care o mare parte sunt sateliti tehnologici de teledetectie.

Un sistem de teledetectie este un ansamblu constituit dintr-un vector purtator (satelit sau avion), unul sau mai multe instrumente de captare a semnalului si un ansamblu de mijloace care permit controlul, receptionarea, corectarea si exploatarea datelor.

1.4.1. Vectorii purtatori

Vectorii (platformele purtatoare) sunt vehicule aeriene sau spatiale utilizate pentru a transporta o platforma si incarcatura sa utila (in cazul teledetectiei captorii si anexele lor). In functie de tipul de aplicatii pentru care au fost lansati, tinand cont si de durata de existenta prognozata, satelitii tehnologici de teledetectie utilizeaza doua tipuri de orbite :

geostationare ecuatoriale (satelitul este plasat la altitudinea de 36000 km. 'fixat' deasupra unui punct al ecuatorului). Din aceasta categorie pot fi amintiti satelitii meteorologici europeni din seria METEOSAT si cei americani din seria GOES. Acesti sateliti nu pot observa decat una din fetele Pamantului, dar au ca avantaj frecventa ridicata de furnizare de imagini (o imagine la fiecare jumatate de ora);

heliosincone cvasi-polare. Satelitii tehnologici utilizeaza orbite mult mai joase (700-1200 Km.), trecand mereu la verticala aceluiasi punct de pe orbita la aceeasi ora solara. Din aceasta categorie fac parte satelitii de pasaj SPOT, LANDSAT, dar si satelitii meteorologici din seria NOAA si satelitii radar ERS sau RADARSAT.

Orbitele satelitilor

Miscarea satelitilor in jurul Pamantului se supune celor trei legi enuntate de matematicianul si astronomul german Johannes Kepler (imaginea din stanga) care definesc miscarea planetelor in jurul Soarelui pe o traiectorie eliptica :

• planeta se misca pe o orbita eliptica in jurul Soarelui care este situat intr-unul din focarele elipsei;
• linia dreapta care uneste planeta cu soarele matura arii egale in perioade de timp egale;
• patratul perioadei de revolutie a planetei este proportional cu cubul semiaxei mari.

Orbita este traiectoria curba (de obicei circulara sau eliptica) parcursa de un obiect in jurul corpului ceresc in spatiul caruia graviteaza. O alta definitie care se refera la orbitele circumterestre poate fi enuntata in felul urmator: Drumul descris de un satelit in jurul Pamantului ca urmare a miscarii intretinute de atractia sa. Un satelit se poate deplasa constant pe orbita atata timp cat se pastreaza un echilibru intre forta gravitationala si forta centripeta fiind astfel posibila mentinerea pe traiectorie a vectorului. Orbita terestra este curba dupa care se deplaseaza satelitul in jurul Pamantului. De fapt, orice satelit care se deplaseaza pe o orbita terestra se deplaseaza pe o elipsa, unul din focarele acesteia fiind centrul planetei. Dar Pamantul nu este o sfera perfecta si omogena si de aceea satelitul nu se misca de la traiectoria perfecta fiind necesare interventii periodice pentru corectarea traiectoriei.

Fig. 11 Satelit cu orbita polara

Pentru a intelege cat mai complet functionarea unui sistem de teledetectie operationala este necesar ca urmatoarele elementele referitoare la orbite sa fie cunoscute:

• planul orbitei;
• definirea orbitei in planul sau;
• forma si dimensiunea orbitei;
• pozitia satelitului pe orbita

Parametrii orbitei unui satelit sunt urmatorii :

• e - excentricitatea elipsei,
• a - semiaxa mare,
• Ω - longitudine nodului ascendent (ascensia dreapta),
• I - inclinarea orbitei fata de ecuatorul terestru,
• punctul vernal
• perigeul
• T_π - momentul trecerii la perigeu

Viteza de lansare de la nivelul marii (numita si prima viteza cosmica) este :

V₀=7,912 km/s.

Perioada de revolutie a unui satelit este data de :

T=2π●R/V₀

Dupa forma orbitei, orbitele circumterestre ale satelitilor pot fi clasificate in circulare si eliptice. In cazul orbitei circulare viteza orbitala se calculeaza cu formula:

V=2π●a/T

Fig. 12 Elementele orbitei

Pentru plasarea unui satelit pe o orbita circumterestra este obligatoriu ca satelitului sa i se imprime o viteza tangentiala care depinde de acceleratia gravitationala (g₀) si raza Pamantului (R) la locul lansarii:

Vc= √¯g₀R

De fapt, lansarea unui satelit este definita pe scurt prin enuntarea urmatoarelor atribute ale orbitei: perioada de revolutie, inclinarea orbitei, si altitudinile la apogeu si perigeu.

Fig. 13 Satelit geostationar ecuatorial

In practica sunt definite trei tipuri de orbite (joase, medii si ecuatoriale) identificate prin urmatoarele abrevieri (fig.5) :

• LEO - Low Earth Orbit (orbita terestra joasa) cu altitudine de evolutie 300-1500 km si cu unghiuri de inclinare apropiate de 90
• MEO - Medium Earth Orbit, (altitudine 9800-20500 km)
• GEO (GSO) - Geostatonary Earth Orbit (orbita geostationara ecuatoriala)

Fig.5 Tipuri de orbite

Modului de deplasare a satelitilor pe orbita este sintetizat in enumerarile si paragrafele urmatoare in care sunt amintite alte cateva notiuni de baza utilizate in mod obisnuit:

• Orbita ascendenta: portiune din orbita unui satelit pe care deplasarea acestuia se face pe o directie Sud-Nord.
• Orbita descendenta: portiunea orbitei pe care satelitul se deplaseaza de la nord spre sud.
• Orbita circulara: orbita de forma unui cerc.
• Orbita ecuatoriala, orbita paralela cu planul ecuatorului terestru.
• Orbita geostationara: Orbita situata la o altitudine de 35786 km deasupra Ecuatorului (inclinare 0 grade, viteza de revolutie egala cu perioada de revolutie a Terrei) fiind un caz particular al orbitei geosincrone.
• Orbita inclinata: orbita al carei plan formeaza cu planul ecuatorului terestru un unghi diferit de 90.
• Orbita polara (peripolara sau cvasipolara): orbita al carei plan formeaza cu axa polilor un unghi de maxim 10
• Orbita sincrona: orbita in jurul unui corp ceresc pe care un satelit artificial se deplaseaza cu o perioada de revolutie egala cu perioada de rotatie a corpului respectiv.

De asemenea, trebuie reamintite notiunile de mai jos :

• Perioada de rotatie a Terrei in jurul propriei axe masurata fata de stele fixe este de 23h56'04,09'';
• Perioada de revolutie siderala a satelitului reprezinta timpul necesar de parcurgere a unei orbite complete;
• Satelitii geosincroni au o perioada de revolutie siderala egala cu perioada de rotatie siderala a Terrei;
• Satelitii geostationari sunt geosincroni si evolueaza pe o orbita circulara ecuatoriala (sunt stationari deasupra ecuatorului intr-un punct si se deplaseaza cu o viteza egala cu viteza de rotatie a Pamantului in jurul axei sale);
• Inclinarea planului orbitei fata de planul ecuatorului poate lua valori de la 0 la 180 , iar in cazul orbitelor heliosincrone valorile sunt apropiate de 90

1.4.3. Instrumentele de achizitie (captori, vectori, detectori)

Energia radiativa provenind de la scena vizata este captata cu ajutorul instrumentelor specializate aflate la bordul satelitului, eliberand in schimb semnale electrice corespunzatoare (masurabile) ; prin similitudine camera fotografica este un captor, chiar daca nu este eliberat un semnal electric cuantificabil. Un scurt istoric al evolutiei tehnicilor de captare a semnalului este expus in paragrafele de mai jos :

Preluarea imaginilor aeriene numerice din avioane sau elicoptere cu ajutorul camerelor digitale aeropurtate.

Inregistrarea imagini spatiale numerice de la bordul satelitilor specializati si transmiterea acestora la sol prin legaturi radio:

In anii '70 au aparut detectorii opto-electronici care permit inregistrarea semnalului punct cu punct cu ajutorul scannerelor mono sau multispectrale (Landsat)

In anii '80 baretele de detectori (tip "push-broom") care permit achizitia de date linie cu linie (SPOT)

In anii '90 au aparut matricele de detectori care permit achizitia bidimensionala (2D)

Scannerul reprezinta sistemul integral de achizitie a datelor, ca de exemplu in cazul satelitilor Landsat Thematic Mapper si SPOT Panchromatic; scannerul este alcatuit din senzori si detectori. Instrumentele de tip HRV ale sAtelitilor SPOT, TM sau MSS ale satelitilor LANDSAT, sau AVHRR ale satelitilor din seria NOAA sunt de tip pasiv.

Senzorul reprezinta instrumentul care acumuleaza energia, pe care o converteste intr-un semnal si o prezinta intr-o forma adecvata obtinerii de informatii despre mediu. Detectorul reprezinta dispozitivul incorporat in sistemul de senzori care inregistreaza radiatia magnetica. De exemplu, in sistemul de senzori specific satelitilor din seria Landsat TM exista 16 detectori pentru fiecare lungime de unda (exceptie fiind banda 6 care detine 4 detectori). Din pacate, calitatea imaginilor obtinute cu ajutorul acestor instrumente depinde de starea atmosferica din momentul preluarii.

Pentru achizitia de date numerice se utilizeaza trei categorii de captori care difera prin geometria specifica de inregistrare a informatiei:

Baleiajul mecanic perpendicular pe directia de deplasare a satelitului (unul sau mai multi detectori pentru fiecare banda spectrala in parte),

Baleiajul de pasaj (o bareta de detectori care acopera campul lateral vizat),

Imagini bi-dimensionale (2D) ale peisajului (o matrice de detectori sau film fotografic)

1.4.4. Mijloacele de transmisie la sol si de preprocesare a datelor brute

In afara vectorilor si captorilor un sistem satelitar necesita si existenta unor mijloace terestre care sa asigure functionarea lantului captare, transmisie, prelucrare, difuzare dupa cum urmeaza:

Un centru de misiune care defineste zilnic 'sarcina ' pe care satelitul trebuie sa o indeplineasca. In legatura directa cu centrul de misiune se afla statia de control care permite pilotarea satelitului si corectarea parametrilor orbitei (tangaj, ruliu si deriva).

Un centru de preprocesare (pretratare) a datelor. Aici se recupereaza datele brute primite de la statia de receptie si le transforma radiometric si geometric in vederea difuzarii catre utilizatori.